Pertes & rendement

En une phrase

Quand un objet transforme de l'énergie, une partie ressort utile (ce qu'on veut) et une partie est perdue, surtout en chaleur. Le rendement dit quelle part de l'énergie reçue devient vraiment utile : plus il est grand, moins il y a de pertes.

Comprendre

Quand un convertisseur transforme l'énergie, il ne restitue jamais toute l'énergie reçue sous la forme utile attendue : une partie est toujours perdue, le plus souvent sous forme de chaleur (énergie thermique). Une lampe, par exemple, reçoit de l'énergie électrique et la transforme surtout en lumière, mais elle chauffe aussi : la chaleur qu'elle dégage est de l'énergie perdue, car ce n'est pas ce qu'on lui demande. Pour comparer les objets, on utilise le rendement — le mot du programme est « efficacité énergétique » : c'est le rapport entre l'énergie utile (celle qui sert vraiment) et l'énergie reçue.

Dès qu'une partie de l'énergie est perdue, le rendement est inférieur à 100 %. Un cas particulier fait exception : le radiateur électrique, dont TOUTE l'énergie reçue devient la chaleur recherchée, atteint un rendement de 100 % — parce que chez lui la chaleur n'est pas une perte, c'est l'effet utile. Plus le rendement est élevé, plus l'objet est efficace et moins il gaspille d'énergie.

C'est pour cela qu'une lampe LED a un bien meilleur rendement qu'une vieille ampoule à filament : l'ampoule à filament ne transforme qu'environ 5 % de l'électricité reçue en lumière (tout le reste part en chaleur), quand une LED en transforme de 20 à 40 %. Il n'y a pas de calcul compliqué à ce niveau : il suffit de comprendre que l'énergie reçue se partage entre une part utile et une part perdue, et que le rendement mesure la qualité de ce partage. Réduire les pertes (en évitant les frottements, en limitant la chaleur inutile) améliore le rendement et permet d'économiser l'énergie.

Le cours

Aucun convertisseur d'énergie n'est parfait : quand un objet transforme une énergie reçue, une partie seulement ressort sous la forme utile attendue, et le reste est perdu, le plus souvent sous forme de chaleur (énergie thermique). On dit que l'énergie reçue se partage en deux : l'énergie utile, qui correspond à ce que l'objet doit faire, et les pertes, qui correspondent à l'énergie dissipée sans servir. Par exemple, une ancienne ampoule à filament reçoit de l'énergie électrique : une petite part devient de la lumière (la part utile) et une grande part devient de la chaleur (les pertes) — c'est pourquoi elle chauffe beaucoup.

Un moteur électrique transforme l'électricité surtout en mouvement, mais il s'échauffe aussi : la chaleur dégagée est de l'énergie perdue. Pour comparer l'efficacité des objets, on définit le rendement : c'est le rapport entre l'énergie utile et l'énergie reçue. Le mot du programme pour cette idée est « efficacité énergétique ».

Dès qu'il y a des pertes, l'énergie utile est plus petite que l'énergie reçue et le rendement est inférieur à 100 %. Il y a une exception à connaître : le radiateur électrique, dont la chaleur EST l'énergie utile, atteint 100 % — rien n'y est perdu, puisque tout ce qu'il produit est ce qu'on lui demande. Plus le rendement est proche de 100 %, plus l'objet est efficace et moins il gaspille d'énergie.

Cette idée explique beaucoup de choix techniques du quotidien : une lampe LED a un bien meilleur rendement qu'une ampoule à filament : l'ampoule à filament ne convertit qu'environ 5 % de l'énergie électrique reçue en lumière, le reste partant en chaleur, tandis qu'une LED en convertit de 20 à 40 % ; c'est ce qui la rend beaucoup moins consommatrice d'électricité pour le même éclairage. Réduire les pertes, c'est améliorer le rendement : on y parvient en limitant les frottements (qui produisent de la chaleur), en isolant pour éviter les fuites de chaleur, ou en choisissant des composants plus performants. À ce niveau, on ne demande pas de calcul précis avec des nombres compliqués : l'essentiel est de comprendre que toute conversion s'accompagne de pertes, que ces pertes sont surtout thermiques, et que le rendement (énergie utile / énergie reçue, toujours inférieur à 100 %) permet de comparer deux objets et de relier un bon rendement à de faibles pertes et à une économie d'énergie.

Les erreurs fréquentes

Croire qu'un appareil restitue toute l'énergie reçue sous la forme utile, sans aucune perte.

Il y a presque toujours des pertes, le plus souvent sous forme de chaleur : l'énergie utile est alors plus petite que l'énergie reçue, donc le rendement est inférieur à 100 %. Seul un appareil dont la chaleur est justement l'effet recherché, comme le radiateur électrique, atteint 100 %.

Penser qu'un rendement plus faible signifie que l'appareil consomme moins d'énergie.

C'est l'inverse : un faible rendement signifie beaucoup de pertes, donc plus d'énergie gaspillée pour le même résultat. Un rendement élevé est plus économe.

Tu maîtrises la notion si…

• Expliquer que toute conversion d'énergie produit une part utile et des pertes, le plus souvent sous forme de chaleur.
• Définir le rendement (l'« efficacité énergétique » du programme) comme le rapport énergie utile / énergie reçue, inférieur à 100 % dès qu'il y a des pertes — le radiateur électrique faisant exception à 100 %.
• Relier un meilleur rendement à de plus faibles pertes et à une économie d'énergie (une ampoule à filament convertit ≈ 5 % de l'électricité reçue en lumière, une LED de 20 à 40 %).

Vérifie que tu as compris

1. Pourquoi un convertisseur a-t-il un rendement inférieur à 100 % ?

   Réponse Une partie de l'énergie reçue est perdue, souvent en chaleur

   Toute l'énergie reçue n'est pas convertie en énergie utile : une partie est perdue (surtout en chaleur). Le rendement — l'« efficacité énergétique » du programme — compare l'énergie utile à l'énergie reçue. Un appareil fait exception : le radiateur électrique, dont la chaleur EST l'effet recherché, atteint 100 %.

2. Une ampoule à filament reçoit 100 J d'énergie électrique et fournit 5 J d'énergie lumineuse utile. Quel est son rendement ?

   Réponse 5 %

   Le rendement — que le programme appelle l'efficacité énergétique — vaut énergie utile ÷ énergie reçue = 5 ÷ 100 = 0,05, soit 5 %. Les 95 J restants partent en chaleur : c'est pourquoi une ampoule à filament chauffe autant. Une lampe LED atteint, elle, 20 à 40 %.